9.5.6. Энергетическая щель в спектре конформационных состояний

Рис. 9–15. Качественная зависимость энтропии от энергии белковой глобулы, аналогичная рис.3-96 а, и спектр конформационных состояний глобулы. Энергетические состояния с энергией являются «более расплавленными», имеют большую конформационную подвижность, чем состояние расплавленной глобулы “t”.

Анализ зависимостей, представленных на рис. 9–13, позволяет сделать важный вывод. При возрастании энергии в процессе денатурации существует область значений ΔU, в которой энтропия меняется очень слабо (ΔS мало). Это означает, что в этой области энергий число доступных конформационных состояний белка Γ (см. т.1, стр.46) практически не изменяется с изменением энергии, так как (рис. 9–15). Резкое возрастание энтропии, а значит и числа доступных состояний Γ начинается только после прохождения состояния глобулы “t”.

Область значений энергии ΔU называется энергетической щелью (областью энергий, в которой мало доступных конформаций), отделяющей нативную структуру от практически непрерывного спектра (включающего множество доступных конформационных состояний) «неправильно сложившихся структур».

Существование энергетической щели в спектре белка обеспечивает необычайную устойчивость нативных функциональных конформаций белка при внешних воздействиях. Они сохраняют свою рабочую нативную структуру и дееспособность, не размягчаясь, в широкой области вариаций внешних условий, соответствующих ширине энергетической щели. Величина

(порядка ширины энергетической щели в полупроводниках (т.1, с. 392)) и приблизительно в десять раз превосходит тепловую энергию . Только при критическом значении нативные структуры разрушаются. Белок переходит в денатурированную фазу с практически непрерывным спектром нефункциональных состояний.

В §3.8.4 (с. 490–495) было показано, что тангенс угла наклона касательной к кривой равен обратной температуре, при которой реализуется состояние с энергией U в точке касания, а пересечение этой касательной с осью абсцисс определяет значение свободной энергии системы в этом состоянии. На кривой S(U), изображенной на рис. 9–15, имеются три точки N, D и t, в которых касательные к кривой имеют один и тот же наклон. Это означает, что все три состояния N, D и t реализуются при одной и той же температуре. Однако состояниям N и D соответствует одна и та же свободная энергия F, а состоянию t – более высокая. В точке t происходит плавление глобулы (см. рис. 9–13). Значит при температуре Т_М плавления глобулы могут существовать два состояния: нативной глобулы N и расплавленной глобулы D. У обоих состояний одна и та же свободная энергия. Оба состояния термодинамически устойчивы, так как им соответствуют минимумы свободной энергии, но переход из одного состояния в другое связан с преодолением потенциального барьера. Это означает, что при температуре плавления T_M скачком образуется расплавленная фаза, концентрация которой увеличивается при подводе энергии (теплоты плавления), необходимой для преодоления потенциального барьера, что характерно для фазовых переходов I-го рода. Обратим внимание на то, что такой тип фазового перехода характерен только для белков со щелью в энергетическом спектре возможных состояний. Энергетическая щель создается не в любой аминокислотной последовательности. Природа отобрала только те структуры, которые могут надежно работать.